NL9401729A - Verbrandingsmotor. - Google Patents

Description

Verbrandingsmotor

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een volgens het viertakt-principe werkende verbrandingsmotor.

Voor het aandrijven van niet-railgebonden wegvoertuigen is de meest gebruikte verbrandingsmotor ondanks alle technische vooruitgangen de sinds jaar en dag bekende viertakt krukaszuigermotor, in het bijzonder de Otto- en Diesel-motor. Uiteraard zijn in de loop der tijd deze motoren aanzienlijk verbeterd, doch aan het principe kleven verschillende nadelen die niet of nauwelijks zijn op te heffen. Van de Otto-motor zijn als nadelen te noemen: een relatief laag theoretisch rendement door de gelijke compressie- en expansieverhouding; een relatief laag kwaliteitsrendement door de ontsteking van het mengsel vóór het bereiken van het bovenste dode punt door de zuiger; een relatief laag kwaliteitsrendement doordat compressie en expansie aan dezelfde kant van de zuiger plaatsvinden en derhalve veel warmte en energie verloren gaat door sterke warmte-uitwisselingen; een laag mechanisch rendement bij lage belastingen van de motor doordat de wrijvingsverliezen bij afname van de belasting ongeveer gelijk blijven; en het afkoppelen van cilinders is moeilijk te realiseren terwijl de Otto-motor ook moeilijk met een elektromotor is te combineren.

De Wankelmotor is een poging geweest om verschillende nadelen van de Otto-motor te vermijden, in het bijzonder die met betrekking tot de heen- en weergaande beweging van de zuiger en met betrekking tot het kleppenmechanisme, doch ook deze motor heeft de Otto-motor niet kunnen verdringen.

De onderhavige uitvinding beoogt nu een nieuwe verbrandingsmotor te verschaffen, waarbij de bovengenoemde bezwaren worden opgeheven resp. aanzienlijk worden verminderd.

Hiertoe verschaft de uitvinding een volgens het viertakt-principe werkende verbrandingsmotor die is voorzien van een huis met een rotorruimte daarin, ten minste een paar regelmatig over de omtrek van de rotorruimte gevormde verbran-dingskamers, een in de rotorruimte om een rotoras draaiende rotor met onronde vorm en ten minste een paar over de omtrek verdeelde nokken, afdichtorganen aan de omtrek van de rotor voor het vormen van een afdichting tussen de rotor en de ro- torruimte, op de verbrandingskamers aansluitbare in- en uit-laatkanalen, kleporganen voor het in samenwerking met de nokken van de rotor scheiden van - per paar verbrandingskamers - vier variërende ruimten tussen de rotor en het huis waarin de vier takten van het viertaktproces plaatsvinden.

De voordelen van een dergelijke verbrandingsmotor zijn o.a. de volgende: - Doordat gebruik wordt gemaakt van een rotor die een zuivere draaibeweging maakt en niet steunt tegen de wand zullen de wrijvingsverliezen minimaal zijn. De enige wrijvings-verliezen ontstaan naast die in de lagers door de benodigde afdichtingen en de bewegings- en wrijvingsverliezen door de beweging van de kleporganen.

- Door de omtreksbreedte van de nokken van de rotor te kiezen tijdens de ontwerpfase kan worden bepaald gedurende hoeveel graden verdraaiing van de rotor als het ware een stilstaande BDP-situatie wordt gecreëerd gedurende welke een ontsteking en een drukopbouw in de verbrandingskamer kan plaatsvinden zonder dat een negatieve arbeid ontstaat door het terugdrukken van een zuiger of rotor.

- Door het blokkeren van de kleporganen in de bovenste stand kan de verbrandingscyclus van een rotor worden uitgeschakeld, waardoor de rotor alleen nog maar als een vliegwiel roteert. Als mechanische verliezen blijven dan alleen de wrijvingsweerstanden van de afdichtingen over, doch die zijn minimaal indien geen gaskrachten optreden.

- De spoeling van de gassen is optimaal omdat de timing door de bediening van de kleporganen altijd optimaal is voor elk toerental. Ook behoeft het in- en uitstromen van de gassen niet in de verbrandingskamers plaats te vinden, waardoor de in- en uitlaatgassen dus niet met elkaar in contact kunnen komen (geen klepoverlap, geen kans op back-fire).

Voorts kunnen de in- en uitlaatkanalen zich over de gehele breedte van de rotor uitstrekken, waardoor een goede vulling van de verbrandingskamers is te bereiken.

- Het verloop van de verbrandingen is in vergelijking met een Otto-motor veel regelmatiger. Bij het meest eenvoudige type met een enkele rotor en twee tegenovergelegen verbrandingskamers vindt immers elke 180° een verbranding plaats, hetqeen overeenkomt met een viercilinder viertakt Otto-motor.

- Doordat de rotor een gescheiden koude en warmte kant bezit, zijn de compressieverhouding en expansieverhouding vrij van elkaar te bepalen door de rotor asymmetrisch te vormen en/of de nokken niet regelmatig verdeeld aan te brengen. Dit biedt de mogelijkheid tot het verhogen van het theoretische rendement.

- De verbrandingsmotor volgens de onderhavige uitvinding is uitermate geschikt voor combinatie met een elektromotor, zodat een hybride-aandrijving ontstaat. Daarbij kan de rotor als een vliegwiel met de elektromotor meedraaien indien de kleporganen buiten werking staan. Op het moment dat de verbrandingsmotor de aandrijving van de elektromotor moet overnemen, worden de kleporganen in werking gesteld en wordt gezorgd voor de juiste ontsteking en injectie zodat het overnemen van de aandrijving gladjes verloopt. Voorts is de vorm van de verbrandingsmotor net als bij de elektromotor in hoofdzaak rond, terwijl ook de diameter zodanig kan worden gekozen dat deze goed bij de betreffende elektromotor past.

De uitvinding zal hierna verder worden toegelicht aan de hand van de tekeningen, die uitvoeringsvoorbeelden van de verbrandingsmotor volgens de uitvinding weergeven.

Fig. la-h illustreren in een zeer schematische doorsnede acht verschillende standen van de motor tijdens zijn werking.

Fig. 2a-h illustreren op dezelfde wijze acht standen van een alternatieve uitvoeringsvorm van de verbrandingsmotor volgens de uitvinding.

Fig. 3 is een doorsnede volgens de lijn III-III in fig. 2a.

Fig. 4, 5, 6 zijn doorsneden volgens de lijnen IV-IV, V-V resp. VI-VI in fig. 3.

Fig. 7 is een op grotere schaal weergegeven doorsnede van nog een alternatieve uitvoeringsvorm van de verbrandingsmotor volgens de uitvinding.

Fig. 1 toont de meest eenvoudige opzet van een verbrandingsmotor volgens de onderhavige uitvinding. De verbrandingsmotor is voorzien van een slechts zeer summier aangeduid huis 1, waarin een rotorruimte 2 is gevormd. De rotorruimte 2 is, op twee tegenovergelegen verbrandingskamers 3, 4 na, cir-i kelcilindrisch van vorm met de hartlijn loodrecht op het vlak van de tekening. In dit uitvoenngsvoorbeeld is, zoals gezegd, één paar regelmatig over de omtrek van de rotorruimte 2 verdeelde verbrandingskamers 3, 4 aangebracht, doch het is evengoed mogelijk meerdere paren van verbrandingskamers aan te brengen. Binnen in de rotorruimte 2 is een rotor 5 verdraaibaar om een rotoras 6 gemonteerd, zodanig dat de rotoras 6 samenvalt met de hartlijn van de rotorruimte 2. De rotor 5 bezit een onronde vorm met in dit geval twee tot aan de omtrek van de rotorruimte 2 reikende nokken 7, 8: een compressie- en expansienok 7 en een in- en uitlaatnok 8. De nokken 7, 8 zijn met dezelfde verdeling aangebracht als de verbrandingskamers 3, 4, zodat zij in dit geval diametraal tegenovergelegen zijn. De rotor 5 bezit op deze manier een lange geometrische as 9 en een korte geometrische as 10. De vorm van de rotor hoeft niet symmetrisch te zijn ten opzichte van deze assen 9, 10, doch is meestal wel symmetrisch bij een rotatie over 180°. Het is echter mogelijk de nokken 7, 8 niet over 180° versprongen aan te brengen, teneinde de expansie- en compressieverhouding te optimaliseren, waartoe ook het verloop van de rotor aan weerszijden van de nokken kan worden gevarieerd. Aan weerszijden van elke lange geometrische as 9 is op elke nok 7, 8 een afdicht ingsorgaan 11 aangebracht, dat zorgt voor een gasdichte afdichting tussen de rotor 5 en het huis l.

In de rotatierichting (zie pijl) van de rotor 5 gezien, sluit telkens vlak voor de betreffende verbrandingskamer 3, 4 een uitlaatkanaal 12, 13 aan dat kan worden afgesloten en vrijgegeven door een bijbehorende uitlaatklep 14, 15. Na de verbrandingskamer 3, 4 mondt een inlaatkanaal 16, 17 uit dat afsluitbaar en vrijgeefbaar is door een bijbehorende inlaat-klep 18 resp. 19. De kleppen 14, 15 en 18, .19 zijn uitwendig bedienbaar, bijvoorbeeld met behulp van niet weergegeven nok-kenassen of nokkenbanen of dergelijke. De kleppen 14, 15 en 18, 19 zijn niet alleen in staat tot het afsluiten en vrijgeven van de bijbehorende kanalen 12, 13 en 16, 17, doch dienen tevens voor het verdelen van de ruimte tussen de rotor 5 en het huis 1 in vier gasdicht gescheiden ruimten waarin de vier takten van het viertaktproces plaatsvinden. Deze afscheiding van de vier ruimten gebeurt uiteraard in samenwerking met de afdichtingen 11 op de nokken 7, 8 van de rotor 5. In elk van deze ruimten vindt derhalve afwisselend een inlaatslag, een compressieslag, een expansieslag en een uitlaatslag plaats. In de tekening is de ruimte met de inlaatslag met A, de ruimte met de compressieslag met B, de ruimte met de expansieslag met C en de ruimte met de uitlaatslag met D aangeduid. De omtrek van de rotor 5 en het binnenwaartse-uiteinde van elke klep 14, 15 en 18, 19 dienen uiteraard aan elkaar te zijn aangepast zodat deze zonder veel slijtage tegen elkaar kunnen lopen en tevens een goede afdichting kunnen bewerkstelligen. Hiervoor zijn technieken beschikbaar.

De fig. la-h tonen acht verschillende standen gedurende een halve omwenteling van de rotor 5 waarin de vier takten volledig plaatsvinden.

In fig. la zijn de vier ruimten A-D aangeduid, waarbij is te zien dat de inlaatklep 18 geopend is voor het toelaten van een vers gasmengsel vanuit het inlaatkanaal 16. De inlaatklep 18 begrenst tevens de ruimte A aan één zijde, terwijl de andere zijde van de inlaatslagruimte A is afgedicht door de afdichting 11 aan de nok 8 van de rotor 5. Doordat de nok 8 van de rotor 5 zich van de inlaatklep 18 verwijderd, neemt het volume van de ruimte A toe en wordt derhalve het verse gasmengsel naar binnen gezogen vanuit het inlaatkanaal 16. Aan de andere zijde van de tegen de rotor 5 afdichtende inlaatklep 18 vindt in de daar gevormde ruimte B een compressieslag plaats, waarbij de uitlaatklep 14 gesloten is en de nok 7 van de rotor 5 in de richting van de verbrandingskamer 3 beweegt, zodat het volume van de ruimte B afneemt en derhalve het daar aanwezige verse gasmengsel wordt gecomprimeerd. In de ruimte C vindt de expansieslag plaats, waarbij de ontsteking en verbranding van het mengsel in de verbrandingskamer 4 heeft gezorgd voor een drukverhoging van het aanwezige gasmengsel en waarbij deze druk in de ruimte C een draaimoment op de rotor 5 uitoefent in de richting waarin een vergroting van het volume van de ruimte C plaatsvindt, dat wil zeggen in de richting volgens de weergegeven pijl. Tenslotte is te zien dat in de ruimte D de uitlaatslag bijna is beëindigd en de uitlaatklep 15, die te zamen met de aangrenzende afdichting 11 van de nok 8 van de rotor 5 de ruimte D begrenst, bijna is gesloten.

In fig. lb is de rotor 5 enigszins verder gedraaid, waarbij het volume van de uitlaatruimte D tot nul is gereduceerd en de uitlaatklep 15 inmiddels ook geheel is gesloten.

In fig. lc en d zijn nog twee verdere draaistanden getoond, waarbij in fig. ld de inlaatklep 18 bijna is gesloten.

Fig. Ie toont de stand van de rotor 5, waarin de ruimten A en C het maximale volume hebben bereikt en de ruimten B en D het minimale volume. De ruimte A heeft zich daarbij met een hoeveelheid vers gasmengsel gevuld dat bij een verdere rotatie van de rotor 5 zal worden gecomprimeerd. In de ruimte B is de compressieslag juist beëindigd en kan ontsteking van het gecomprimeerde gasmengsel in de verbrandingskamer 3 plaatsvinden, waartoe een niet weergegeven bougie de ontsteking initieert. De afdichting 11 aan de voorlopende zijde van de nok 7 van de rotor 5 te zamen met de uitlaatklep 19 zorgen voor een afdichting van de verbrandingskamer 3, zodanig dat deze de hoge gasdruk kunnen weerstaan. De omtreksbreedte van de nok 7 bepaalt de draaihoek van de rotor 5 waarover als het ware een stilstaand BDP wordt gecreëerd en derhalve bij een verdraaiing van de rotor geen volumeverandering van de ruimte B plaatsvindt. Gedurende deze hoekverdraaiing kan de ontsteking en verbranding van het gasmengsel plaatsvinden zonder dat de daardoor ontstane druk een negatieve arbeid op de rotor 5 veroorzaakt. Tijdens de ontwerpfase kan voor een bepaalde motor de breedte van de nok 7 worden gekozen voor het optimaliseren van het gewenste stilstaande BDP. In de ruimte C is de expansieslag ten einde gekomen en is alle drukenergie in deze ruimte benut. Tenslotte is de ruimte D gereed om over te gaan in de ruimte B waarin een vers gasmengsel wordt gecomprimeerd, zoals uit de volgende figuur blijkt.

In fig. lf is te zien dat de ruimten A-D als het ware een stapje doorschuiven en derhalve de ruimte A waarin eerst de inlaatslag plaatsvond, nu een compressieruimte B is geworden, waarin het ingelaten gasmengsel gaat worden gecomprimeerd. In de stand volgens fig. 1F zijn de inlaat en de compressie echter in feite nog niet begonnen. De eerdere compressieruimte B van fig. Ie is wel reeds de expansieslag begonnen in de nu ontstane ruimte C, waarvan het volume door het aandrijven van de rotor 5 wordt vergroot en derhalve het ontstoken gasmengsel daarin kan expanderen. In de nu ontstane ruimte D, die wordt begrensd door de aangrenzende afdichting 11 van de rotornok 8 en de uitlaatklep 14 vindt reeds de uitlaatslag plaats.

In de fig. lg en h zijn de vier takten in de ruimten A-D verder tot ontwikkeling gekomen en in fig. lh is de stand bereikt, waarin de rotor 5 over een hoek 180° is verdraaid ten opzichte van de stand volgens fig. la. Vanaf deze stand vinden derhalve de verdere afwikkelingen plaats zoals in de fig. lb-lg, doch dan over een hoek van 180° doorgedraaid.

Uit het voorgaande wordt duidelijk, dat telkens aan één zijde van de rotor 5 een inlaatslag en een compressieslag plaatsvindt, terwijl aan de andere zijde van de rotor 5 juist alleen de expansieslag en de uitlaatslag zich voltrekken. Deze zijde van de rotor 5 kan men de warme kant van de rotor noemen, terwijl de tegenoverliggende zijde de koude kant van de rotor vormt. Deze scheiding is gunstig ten aanzien van het warmteverlies en het energieverlies in het gasmengsel. Dit heeft een gunstige invloed op het kwaliteitsrendement van de motor.

De fig. 2a-h tonen een alternatieve uitvoeringsvorm van de verbrandingsmotor volgens fig. l, waarbij slechts één uitlaatkanaal 12 en één inlaatkanaal 16 aanwezig is en niet in het huis 1, doch in de rotor 5 zijn gevormd en altijd openstaan, terwijl de kleppen 14, 15 en 18, 19 slechts zorgen voor het scheiden van de vier ruimten A-D, doch daarmede wel bewerkstelligen dat het uitlaatkanaal 12 en het inlaatkanaal 16 steeds met de juiste ruimte D resp. A in verbinding staan. In deze constructie dienen het uitlaatkanaal 12 en het inlaatkanaal 16 door de rotoras 6 te verlopen, die derhalve hol dient te worden uitgevoerd. In principe is het uiteraard mogelijk niet de rotor 5 te laten draaien, doch het huis 1 en daarbij de rotor 5 stationair te laten.

De fig. 3-6 tonen schematisch meer van de constructie van de verbrandingsmotor volgens de uitvinding in de uitvoeringsvorm volgens fig. 2. Te herkennen zijn het huis 1, de rotor 5, de rotoras 6, het uitlaatkanaal 12 en het inlaatkanaal 16 en de uitlaatklep 14 en de inlaatklep 19. Te zien is dat in dit geval de kleppen 14, 15 en 18, 19 verdraaibaar op een klepas 20 zijn gemonteerd en met behulp van deze as de beweging van de kleppen mogelijk is. Via de klepas 20 wordt in dit uitvoeringsvoorbeeld tevens de bediening van de kleppen 14, 15 en 18, 19 bewerkstelligd, doordat de klepassen 20 ver- draaivast met de bijbehorende kleppen 14, 15, 18 resp. 19 zijn verbonden en deze assen elk aan beide uiteinden zijn voorzien van een bijbehorende, verdraaivast met de klepas 20 verbonden nok 21 die telkens aangrijpt op een bijbehorende nokplaat 22 resp. 23. De beide nokplaten 23 bedienen daarbij aan de bovenzijde de nokken 21 van de bovenste inlaatklep 18 en aan de onderzijde de nokken 21 van de in fig. 3 weergegeven onderste inlaatklep 19. Door de symmetrie van de constructie is deze gemeenschappelijke bediening van de kleppen 18, 19 door de dubbel uitgevoerde nokplaat 23 mogelijk. Een dergelijke gemeenschappelijke bediening door de nokplaat 22 is ook bij de uitlaatkleppen 14 en 15 mogelijk. Fig. 5 en 6 tonen de vorm van de nokplaten 22 en 23. Torsieveren, zoals de spiraalveren 24, belasten de klepassen 20 in een richting voor het binnenwaarts verdraaien van de betreffende kleppen 14, 15 en 18, 19.

In fig. 3 en 4 is tevens te zien dat aan weerszijden van de rotor 5 meedraaiende platen 25 met een cirkelvormige buitenomtrek zijn bevestigd. Deze platen zorgen te zamen met afdichtorganen 26 voor de zijdelingse afdichting tussen de rotor 5 en het huis 1. De afdichtorganen 26 kunnen zowel aan het huis 1 als aan de platen 25 zijn bevestigd.

In fig. 3 is voorts te zien dat de rotoras 6 hol is en met behulp van lagers 27 in het huis 1 is gelagerd. Aan de ene zijde dient de in het midden gesloten rotoras 6 als uit-laatkanaal 12, terwijl aan de andere zijde de holle rotoras 6 als inlaatkanaal 16 dient.

Fig. 7 toont nog een verdere uitvoeringsvariant van de verbrandingsmotor volgens de uitvinding, waarbij een bijzondere klepopstelling is toegepast. In dit geval zijn de com-pressieklep 14 en de expansieklep 18 met hun klepassen 20 op een binnen de verbrandingskamer 3 geplaatst lagergedeelte 28 gelagerd. Door dit lagergedeelte 28 ontstaat er een kanaal 29 dat naar de verbrandingskamer 3 leidt. De in- en uitlaatkana-len kunnen in deze uitvoering weer in de rotor 5 zijn gevormd. Voordelen van deze uitvoering zijn dat de stroming van de gecomprimeerde gassen naar de verbrandingskamer 3 zeer gunstig is, terwijl bovendien de gecomprimeerde gassen op deze manier niet meer langs de hete expansieklep 18 stromen. Voorts stromen de zeer hete expansiegassen niet langs de compressieklep 14, waardoor de thermische belasting van deze klep laag is.

Ook maakt deze uitvoering het mogelijk om de brandstof op een goede plaats in te spuiten. De verstuiver spuit direct in de verbrandingskamer 3 op het moment dat de compressieklep 14 open staat. Uiteraard dienen de afdichtingen van de kleppen wel aan zeer hoge eisen te voldoen.

Uiteraard is de uitvinding niet beperkt tot de in de tekeningen weergegeven en in het voorgaande beschreven uitvoe-ringsvoorbeelden. Zo is bijvoorbeeld een verdere en zelfs volledige scheiding van koude en warme gedeelten mogelijk door een axiale verdeling van rotor en rotorruimte in een inlaatge-deelte, een compressie- en expansiegedeelte en een uitlaatge-deelte. Door de verdeling van de rotorruimte in een inlaat- en compressieruimte en een expansie- en uitlaatruimte kunnen de in- en uitlaatkanalen in het rotorhuis continu open blijven. Overigens wordt opgemerkt dat het in principe volgens de uitvinding ook mogelijk is met slechts één verbrandingskamer en één rotornok te werken. In dit geval is er sprake van een 6-takt-principe waarbij twee loze takten aanwezig zijn. Er is dan per drie omwentelingen één verbrandingstakt. Ook zijn ro-torruimten met vier, zes, acht, etc. verbrandingskamers denkbaar.

Claims (8)

1. Volgens het viertakt-principe werkende verbrandingsmotor voorzien van - een huis met een rotorruimte daarin, - bij voorkeur ten minste een paar regelmatig over de omtrek van de rotorruimte gevormde verbrandingskamers, - een in de rotorruimte om een rotoras zuiver draaiende rotor met onronde vorm en bij voorkeur ten minste twee over de omtrek verdeelde nokken, - afdichtorganen aan de omtrek van de rotor voor het vormen van een afdichting tussen de rotor en de rotorruimte, - op de verbrandingskamers aansluitbare in- en uitlaatkanalen, - kleporganen voor het in samenwerking met de nokken van de rotor scheiden van - per paar verbrandingskamers - vier variërende ruimten tussen de rotor en het huis waarin de vier takten van het viertaktproces plaatsvinden.

2. Verbrandingsmotor volgens conclusie 1, waarbij de rotorruimte een in hoofdzaak cirkelvormige dwarsdoorsnede bezit waarvan het middelpunt samenvalt met de hartlijn van de rotoras.

3. Verbrandingsmotor volgens conclusie 1 of 2, waarbij de in- en uitlaatkanalen in het huis zijn gevormd en door de kleporganen kunnen worden geopend en gesloten.

4. Verbrandingsmotor volgens conclusie 1 of 2, waarbij de in- en uitlaatkanalen in de rotor zijn gevormd en de kleporganen een afsluiting tussen de rotor en het huis kunnen bewerkstelligen voor het naar keuze afscheiden van verbrandingskamers en in- en uitlaatkanaal.

5. Verbrandingsmotor volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de kleporganen verdraaibaar zijn om een evenwijdig aan de rotoras verlopende klepas.

6. Verbrandingsmotor volgens conclusie 5, waarbij de kleporganen bedienbaar zijn door een op de rotoras gemonteerde nokkenbaan of een door de rotoras aangedreven nokkenas.

7. Verbrandingsmotor volgens een der voorgaande conclusies, waarbij telkens een afdichting aan weerszijden van de nokken van de rotor is aangebracht.

8. Verbrandingsmotor volgens conclusie 7, waarbij aan weerszijden van de rotor een plaat met een cirkelvormige omtrek draaivast is aangebracht/ die met behulp van afdichtor-ganen de zijdelingse afdichting tussen de rotor en het huis bewerkstelligt.